淺談線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電源（stabilized voltage supply）是能為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流電或直流電的電子裝置，包括交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源兩大類。

當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)瞬間波動時，穩(wěn)壓電源會以10-30ms的響應(yīng)速度對電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定在±2%以內(nèi)。

主要功能

穩(wěn)定電壓

當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)瞬間波動時，穩(wěn)壓電源會以10-30ms的響應(yīng)速度對電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定在±2%以

內(nèi)。

多功能綜合保護(hù)

穩(wěn)壓器除了最基本的穩(wěn)定電壓功能以外，還應(yīng)具有過壓保護(hù)（超過輸出電壓的+10%）、欠壓保護(hù)（低于輸出電壓的-10%）、缺相保護(hù)、短路過載保護(hù)最基本的保護(hù)功能。

尖脈沖抑制

電網(wǎng)有時會出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

隔離傳導(dǎo)性EMI電磁干擾（可選）：

數(shù)控設(shè)備多采用AC/DC整流+PFC高頻功率因數(shù)校正，自身有一定的干擾性同時對干擾源也有嚴(yán)格要求。穩(wěn)壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網(wǎng)對設(shè)備的干擾同時也能有效隔離設(shè)備對電網(wǎng)的干擾。

防雷

應(yīng)具有的防雷擊能力。

工作原理

工頻交流電源經(jīng)過變壓器降壓、 整流、濾波后成為一穩(wěn)定的直流電。圖中其余部分是起電壓調(diào)節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)壓作

用的控制部分。電源接上負(fù)載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到和基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小。

穩(wěn)壓器電路由電源電路、電壓檢測控制電路、過電壓保護(hù)組成，如圖所示。電源電路由調(diào)壓變壓器T的W4、W5繞組和整流二極管VDl-VD4、濾波電容器Cl、C2組成。電壓檢測控制電路由電阻器R-R7、電位器RPl、Rm、穩(wěn)壓二極管VS、電容器C3、C4和運(yùn)算放大器集成電路IC（Nl-N3）組成。過電壓保護(hù)電路由IC內(nèi)部的N3、晶體管V3、電阻器Rl2和繼電器K組成。自動調(diào)壓電路由電阻器R8-Rll、晶體管Vl、V2、直流電動機(jī)M、滑動觸頭和T的Wl-W3繞組組成。將交流穩(wěn)壓器的輸大端與市電相接后，在T的W4、W5繞組上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。該電壓經(jīng)VDl-VD4整流及Cl、C2濾波后，為IC和Vl、V2等提供 士l2V不穩(wěn)定工作電壓。+l2V電壓還有其他作用。經(jīng)Rl-R3分壓、VS穩(wěn)壓后，分別為Nl-N3的反相輸入端提供基準(zhǔn)電壓；為過電壓保護(hù)電路申的K和V3提供工作電源；經(jīng)R4、RP2、R6分壓后，為Nl和N2的正相輸入端提供檢測電壓；經(jīng)R7、RPl、R5分壓后，為N3的正相輸入端提供檢測電壓。

Nl-N3將正相輸大端的檢測電壓與反相輸大端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，用產(chǎn)生的誤差電壓去控制自動調(diào)壓電路。

當(dāng)市電電壓正常時，Nl和N2的輸出端電壓為OV，Vl和V2均處于截止?fàn)顟B(tài)，電動機(jī)M不工作。

當(dāng)市電電壓偏低時，Nl和N2輸出低電平，使V2導(dǎo)通，Vl截止，M逆時針旋轉(zhuǎn)，通過滑壁臂驅(qū)動滑動觸頭移動，與T相應(yīng)的電壓抽頭接觸 （T的Wl、W2繞組共設(shè)置了21個電壓抽頭，每一檔的電壓調(diào)節(jié)范圍為5V），通過T的W2繞組來提升輸出電壓。當(dāng)輸出交流電壓升至220V時，V2截止，M停轉(zhuǎn)。當(dāng)市電電壓偏高時，Nl和N2均輸出高電平，使Vl導(dǎo)通，V2截止，M順時針旋轉(zhuǎn)，通過滑臂驅(qū)動滑動觸頭移動，與T相應(yīng)的電壓抽頭接觸，通過T的Wl繞組來降低輸出電壓。當(dāng)輸出交流電壓降至220V時，Vl截止，M停轉(zhuǎn)。當(dāng)市電電壓偏高超過260V時，N3因正相輸入端電壓高于反相輸入端電壓而輸出低電平，使V3截止，，K釋放，其常閉觸頭接通交流電壓的輸出回路。當(dāng)市電電壓為160-260V時，N3因正相輸入端電壓低于反相輸入端電壓而輸出高電平，使V3導(dǎo)通，K吸合，其常閉觸頭斷開，從而保證負(fù)載（用電器）不會因過電壓而損壞。 ［3］

選購

元器件選擇

R8和R9均選用lW金屬膜電阻器，其余各電阻器選用1/4W或l/2W金屬膜電阻器。

RPl和RP2均選用精密可變電阻器。

Cl-C4均選用耐壓值為16V的鋁電解電容器。

VDl-VD4均選用lN5404型硅整流二極管。

VS選用1/2W、6V的硅穩(wěn)壓二極管，例如lN5233A或lN5995B等型號。

Vl選用DSl5或2SC2073型硅NPN晶體管；V2選用CSl5或2SA940型硅PNP晶體管；V3選用S805O或C8050型硅NPN晶體管。

IC選用LM324型運(yùn)算放大集成電路。

M選用l2V直流電動機(jī)。

K選用JRX-l3F型l2V直流繼電器，使用時將其兩組常閉觸頭并聯(lián)，以增大電流負(fù)荷。

采用300-500W的電源變壓器改制。先計算出匝/伏比等有關(guān)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行繞制，每5V處取出一抽頭并作好標(biāo)記。先繞Wl-W3繞組，后繞W4和W5繞組。將T各抽頭的外接點與滑臂的滑動觸頭分別裝在兩塊完全一樣的印制板上，粘合后對應(yīng)連接?；蹫樯?、下兩片型式，印制板夾在其中間，使其在滑動時接觸良好?；凵晷难b上齒輪，電動機(jī)M通過齒輪變速后驅(qū)動滑臂移動。

電路調(diào)試

調(diào)試時，先將RPl和R陀的動觸頭調(diào)至中間位置，在交流穩(wěn)壓器的輸入端接上一臺手動調(diào)壓器，在輸出端接上電壓表，調(diào)整調(diào)壓器使輸入交流電壓為220V，然后調(diào)節(jié)R陀的阻值，使M在輸出電壓為220V時停轉(zhuǎn)。

斷開M的引線 （滑動觸頭應(yīng)接在-220V處），調(diào)整RPl，使輸人電壓調(diào)至230V時，K立即吸合即可。

目前現(xiàn)有電源主要分為兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源（開關(guān)電源）。

線性穩(wěn)壓電源

線性穩(wěn)壓電源經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓實現(xiàn)電源穩(wěn)壓。

優(yōu)點：穩(wěn)定性好，瞬態(tài)響應(yīng)速度快，可靠性高，輸出電壓精度高，輸出紋波電壓精度小。

缺點：變換效率較低，尤其是在輸入輸出電壓差較大的情況下。如果輸出電流也較大，會有明顯的發(fā)熱發(fā)燙現(xiàn)象，甚至可能燒壞穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓電源構(gòu)成：

低壓差線性穩(wěn)壓器的主要參數(shù)

輸出電壓

低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型。

固定輸出電壓穩(wěn)壓器：輸出電壓是經(jīng)過廠家精密調(diào)整的，穩(wěn)壓器精度很高。

可調(diào)輸出電壓：根據(jù)穩(wěn)壓器ADJ引腳兩端的電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓。

最大輸出電流

輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本。

輸入輸出電壓差

在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能就越好。比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V電壓，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。

接地電流

串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時也稱為靜態(tài)電流，負(fù)載調(diào)整率

線性穩(wěn)壓器負(fù)載調(diào)整率越小，說明LDO抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。

電源抑制比

線性穩(wěn)壓器輸入源往往許多干擾信號存在。PSRR反映了線性穩(wěn)壓器對于這些干擾信號的抑制能力。

線性穩(wěn)壓電源設(shè)計注意：

散熱：

由于線性穩(wěn)壓器的特性決定，壓差部分的功耗是要通過芯片本身的散熱釋放出去的。如果壓差和電流較大，那么器件上消耗的功耗就會比較大，散熱問題就必須考慮。如果在PCB設(shè)計的時候沒有留下足夠的散熱空間，那么隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，線性穩(wěn)壓器芯片就會越來越燙。在持續(xù)高溫的環(huán)境下運(yùn)行會嚴(yán)重影響系統(tǒng)壽命。

解決方法：

在電路設(shè)計時計算線性穩(wěn)壓器上消耗的功率，消耗功率大時增加散熱片，通過在穩(wěn)壓器下面放置過孔，區(qū)域覆銅連接地。

壓差：

線性穩(wěn)壓器可以穩(wěn)定的壓差有限制，在選擇線性穩(wěn)壓器時應(yīng)查閱手冊，看選擇的線性穩(wěn)壓器是否可以滿足降壓需求。

旁路電容的選擇：

線性穩(wěn)壓器的外圍電路就是幾顆旁路電容。這幾顆電容的選擇也要參考器件的數(shù)據(jù)手冊，一般情況在輸入輸出端接10uf和100nf的電容。旁路掉高頻信號以及干擾。在原理圖設(shè)計的時候，100nf的電容要盡量靠近線性穩(wěn)壓器。用來消除線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲。

開關(guān)電源

開關(guān)電源通過控制調(diào)整管的通斷時間實現(xiàn)穩(wěn)壓。

優(yōu)點：體積小，重量輕，功耗小，穩(wěn)壓范圍寬，效率在80%~90%。

缺點：輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時，將產(chǎn)生較大的影響。

使用：在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，就可以實現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時電源系統(tǒng)的效率也不會明顯降低。

開關(guān)電源構(gòu)成：

Ui為整流濾波后的直流電壓、Uo為轉(zhuǎn)換后的直流輸出電壓、DC-DC轉(zhuǎn)換器用于功率轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源的分類：

無論哪種開關(guān)電源，調(diào)整管總是工作在開關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動調(diào)整管的電壓可以是方波脈寬調(diào)制電壓，也可以是正弦波的諧振電壓。

根據(jù)驅(qū)動電壓可以分為自激式和他激式。

自激式：利用調(diào)整管，開關(guān)變壓器輔助繞組構(gòu)成正反饋，實現(xiàn)自激振蕩，實現(xiàn)穩(wěn)壓。

他激式：使用專設(shè)振蕩器產(chǎn)生脈沖控制調(diào)整管。

根據(jù)轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)方式分為非隔離型和隔離型。

非隔離型：輸入和輸出共地，適合低壓直流轉(zhuǎn)換的場合，包括降壓式，升壓式，升降壓式。

隔離式：輸入輸出進(jìn)行隔離。包括反激式，正激式，推挽式，半橋式，全橋式。

根據(jù)開關(guān)管的脈沖調(diào)制方式分為脈寬調(diào)制型，頻率調(diào)制型，混合調(diào)制型。

脈寬調(diào)制型：通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間來控制占空比，從而調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。

頻率調(diào)制型：開關(guān)管的導(dǎo)通時間不變，通過改變開關(guān)管的脈沖頻率來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。

混合調(diào)制型：開關(guān)管的導(dǎo)通時間和脈沖頻率都改變，沒而來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。

電源設(shè)計PCB布線：

1）芯片的電源引腳和地線引腳之間應(yīng)進(jìn)行去耦。去耦電容應(yīng)貼近芯片安裝，使去耦電容的回路面積盡可能減小。。

2）盡量加寬電源線、地線寬度，最好是地線比電源線寬。電源線應(yīng)布1mm以上。

3）兩層板表層走多條電源信號，另一層走多條地信號，讓電源和地信號像“井”字形排列，基本上不走環(huán)線。

4）數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個回路，即構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用，模擬電路的地不能這樣使用。

5）用大面積銅層作地線，在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用，或是做成多層板，電源和地線各占用一層。

6）一般都是就近接地，但要區(qū)分模擬和數(shù)字地：模擬器件就接模擬地，數(shù)字器件就接數(shù)字地；大信號地和小信號地也分開來。

7）同時具有模擬和數(shù)字功能的電路板，模擬地和數(shù)字地通常是分離的，只在電源處連接避免相互干擾。不要把數(shù)字電源與模擬電源重疊放置，否則就會產(chǎn)生耦合電容，破壞分離度。

8）應(yīng)避免梳狀地線，這種結(jié)構(gòu)使信號回流環(huán)路很大，會增加輻射和敏感度，并且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的誤操作。

9）選用貼片式芯片時，盡量選用電源引腳與地引腳靠得較近的芯片，可以進(jìn)一步減小去耦電容的供電回路面積，有利于實現(xiàn)電磁兼容。板上裝有多個芯片時，地線上會出現(xiàn)較大的電位差，應(yīng)把地線設(shè)計成封閉環(huán)路，提高電路的噪聲容限。

10）相同結(jié)構(gòu)電路部分，盡可能使用“對稱式”布局。